Po prawie 2000 lat Koloseum i Panteon nadal stoją, mimo trzęsień ziemi, powodzi i konfliktów zbrojnych - dlaczego te starożytne budowle są tak wytrzymałe?

We wnętrzu kamiennej, murowanej niecki Koloseum zwiedzający mają wiele miejsca, by wyobrazić sobie tłumy, które niegdyś gromadziły się w liczbie ponad 50 000, by wziąć udział w wydarzeniach takich jak krwawe walki gladiatorów, wystawne procesje i wyścigi rydwanów. Znany również jako Amfiteatr Flawiuszów, miejsce to zostało otwarte w 80 r. n.e. i przez 100 dni odbywały się tam gry i zabawy, podczas których podobno zarżnięto około 9000 zwierząt. Wysoka na cztery piętra i szeroka na 188 m w najszerszym miejscu, owalna struktura pozostaje największym amfiteatrem na świecie.

Zbudowany około 40 lat później Panteon posiada zapierającą dech w piersiach kopułę, która rozpościera się na wysokości 43 metrów i kulminuje w przypominającym źrenicę okrągłym oknie na jej szczycie, znanym jako oculus, przez który słońce zalewa wnętrze naturalnym światłem. Nazwa Panteon, która łączy w sobie greckie słowa oznaczające "wszystko" i "bogów", sugeruje funkcję religijną, ale niektórzy historycy uważają, że monument został zbudowany głównie po to, by złożyć hołd rzymskim cesarzom. Pomimo upływu czasu, ikoniczna półkula pozostała nienaruszona i nadal jest największą na świecie kopułą z niezbrojonego betonu.

Jeśli chodzi o budowanie wielkich budowli, Rzymianie najwyraźniej wiedzieli, co robią. Po prawie 2000 lat po ich zbudowaniu, te dwie ogromne i technicznie zdumiewające konstrukcje przetrwały trzęsienia ziemi, powodzie i konflikty zbrojne. Przeżyły imperium, które je zrodziło i stały się fizycznym ucieleśnieniem trwałego wpływu kultury rzymskiej na całym świecie.

Jak starożytny Rzym stworzył tak monumentalną i długowieczną architekturę tak dawno temu?

Inżynierowie i materiałoznawcy do dziś badają rzymskie budowle i twierdzą, że sekret tkwi w połączeniu genialnego projektu z innowacyjną recepturą betonu, niezwykle trwałego i elastycznego materiału, który wciąż jest używany na całym świecie. Podczas gdy Rzymianie nie wynaleźli betonu, z pewnością podnieśli poprzeczkę, jeśli chodzi o wykorzystanie go.

Wylewanie betonu pozwoliło rzymskim architektom osiągnąć niemal każdy kształt, jaki tylko mogli sobie wyobrazić, ograniczony jedynie przez ich zdolność do konstruowania drewnianych form niezbędnych do formowania skalnej mazi. Ale łuki, sklepienia i kopuły, które są znakami rozpoznawczymi rzymskich budynków, nie wzięły się tylko z fantazji, czy bogatej wyobraźni.

Najwyższe przejawy architektury Imperium Rzymskiego to rezultat metodycznego, inżynierskiego podejścia. Rzymianie przeprowadzili wyrafinowane analizy, które doprowadziły ich do tych projektów, które następnie zostały wyrażone poprzez niezwykle staranny proces budowy.

Beton, który trzymał tworzone konstrukcje razem, był również wyjątkowy i głęboko przemyślany. Rzymski beton wykorzystywał inną recepturę niż współczesny beton, a naukowcy badający ten starożytny materiał twierdzą, że jego składniki wydają się obdarzać materiał fenomenalną odpornością na degradację.

Obecnie większość betonu składa się z cementu portlandzkiego - kombinacji piasku kwarcowego, wapienia, gliny, kredy i innych minerałów, które są wypalane w temperaturze około 2000C i kruszone na drobny proszek - oraz kawałków skał lub piasku zwanych kruszywem. Mieszanie kruszywa skalnego, którego wielkość waha się od piasku, przez żwir do małych kawałków kamienia, z cementem sprawia, że wynikowy beton jest mocniejszy i oszczędza cement. Wreszcie, dodanie wody do mieszanki betonowej uruchamia reakcję chemiczną w cemencie, który wiąże te elementy razem. W przeważającej części, kruszywo w nowoczesnym betonie jest starannie dobrane, aby być tak chemicznie obojętne, jak to tylko możliwe. Chodzi o to, aby uniknąć niepożądanej chemii po zakończeniu tej początkowej reakcji, ponieważ wszelkie dodatkowe reakcje w dół drogi zazwyczaj pękają lub w inny sposób osłabiają beton.

Beton rzymski, z drugiej strony, jest prostszą mieszanką wapna palonego otrzymywanego z pieczenia i kruszenia skał wapiennych, a przede wszystkim różnego rodzaju kruszywa ze skał wulkanicznych, których w okolicach Rzymu było pod dostatkiem. W przeciwieństwie do kruszyw stosowanych we współczesnym betonie, te wulkaniczne materiały używane przez Rzymian są wysoce reaktywne, a powstały w ten sposób beton pozostaje aktywny chemicznie przez wieki po pierwszym stwardnieniu.

"Cementy portlandzkie w dzisiejszych czasach nie są przeznaczone do zmian chemicznych, a jeśli już się zmienią, to zazwyczaj będzie to miało zły wpływ" - powiedziała Marie Jackson, geolog z Uniwersytetu Utah, która od dziesięcioleci bada rzymski beton. "Rzymianie chcieli, aby ich beton reagował. Wybrali kruszywo, które z czasem nadal uczestniczyłoby w procesach betonowych."

W przeciwieństwie do współczesnego betonu, ta ciągła reaktywność pozwala rzymskiemu betonowi stać się mocniejszym w czasie. Te długotrwałe reakcje chemiczne mogą służyć do wzmocnienia małych pęknięć, które często tworzą się między kawałkami kruszywa i wiążącego cementu i zapobiec ich dalszemu rozprzestrzenianiu się. Ta zdolność do regeneracji, możliwa dzięki reaktywnym minerałom wulkanicznym, jest tym, co daje betonowi rzymskiemu ogromną wytrzymałość i długotrwałość.

Nowoczesna konstrukcja betonowa może przetrwać 100 lat przy odpowiedniej konserwacji, ale niektóre rzymskie konstrukcje przetrwały 1000 lat lub więcej, w zasadzie bez pomocy.

"Jasne, możemy dziś produkować beton o większej wytrzymałości na rozciąganie, ale co z tego?" - powiedział Perucchio. "Nowoczesna konstrukcja betonowa może przetrwać 100 lat z konserwacją, ale niektóre rzymskie struktury przetrwały przez 1000 lat lub więcej zasadniczo bez pomocy".

Chociaż naukowcy podejrzewali przez wiele lat, że to dodatek minerałów wulkanicznych, które dały rzymskiemu betonowi jego siłę, dopiero w 2014 roku Jackson i jego współpracownicy ujawnili dokładną chemię odpowiedzialną za wysoką długotrwałość tego materiału. W swoim badaniu, przetestowali mieszankę betonową opartą na tym, co zostało użyte do budowy Rynku Trajana w Rzymie i zaobserwowali wzrost płytkopodobnych kryształów minerału zwanego strätlingitem w tak zwanych "strefach międzyfazowych" pomiędzy kawałkami skały wulkanicznej a cementem trzymającym mieszankę razem. Naukowcy napisali, że kryształy te służyły do wzmocnienia tych stref międzyfazowych, które są zazwyczaj najsłabszym ogniwem w betonach wykonanych z cementu portlandzkiego, dzięki czemu rzymski beton był bardziej odporny na pękanie.

Ostatnio, nowe badania Jacksona i innych opublikowane jesienią 2021 roku sugerują, że krystaliczny strätlingit nie jest jedynym produktem ubocznym ciągłej reaktywności starożytnego betonu, który utrzymuje jego wytrzymałość. Zespół badał próbkę betonu z 21-metrowego cylindrycznego grobowca rzymskiej szlachcianki o imieniu Caecilia Metella, który został zbudowany około 30 r. p.n.e. w pobliżu starożytnej rzymskiej drogi znanej jako Droga Appijska (Via Appia). Okazało się, że beton ten został wykonany przy użyciu skał wulkanicznych, które zawierały dużo bogatego w potas minerału zwanego leucytem.

W ciągu 2000 lat od wybudowania grobowca, deszcz i wody gruntowe wsiąkały w ściany grobowca i rozpuszczały leucyt, uwalniając potas do betonu. W nowoczesnym betonie, zalanie potasem spowodowałoby powstanie rozszerzających się żeli, powodujących pęknięcia i zniszczenia.

Ale Jackson i jej koledzy odkryli, że reaktywne minerały wulkaniczne w rzymskim betonie ułatwiły inny rezultat. Rozpuszczony potas spowodował rekonfigurację chemicznego "kleju", który tworzy szkielet stwardniałego betonu, który utrzymał i wzmocnił wytrzymałość materiału, mimo że zawierał znacznie mniej strätlingitu niż zespół zaobserwował w betonie Rynku Trajana.

Jeśli chodzi o to, dlaczego rzymski beton jest tak długowieczny nieco inne wyjaśnienie oferuje Linda Seymour, która prowadziła nad nim badania podczas doktoratu w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA. Według Lindy, pomimo tego, że skład kruszyw używanych przez Rzymian był różny, to wspólnym mianownikiem dla ich wszystkich jest ciągła reaktywność, która powoduje niedeterministyczną rekonfigurację betonu w czasie.

Różnorodność chemiczna rzymskiego betonu prawdopodobnie oznacza, że nie wszystko, czego próbowano, działało równie dobrze, ale w Koloseum i Panteonie mamy dwa niepodważalne dowody na sukces tego materiału.

W Koloseum beton nie jest koniecznie gwiazdą przedstawienia, ale odegrał integralną rolę w przetrwaniu areny. Najbardziej widocznym materiałem w Koloseum jest wapień trawertyn, ale beton jest tym, co utrzymuje wiele ikonicznych łuków amfiteatru. Jednak być może najbardziej znaczący wkład betonu w długowieczność Koloseum znajduje się poza zasięgiem wzroku.

"Nie możesz tego zobaczyć jako turysta, ale powodem, dla którego Koloseum wciąż stoi jest jego niesamowicie wytrzymały betonowy fundament," powiedziała Jackson. Ten betonowy fundament jest wypełniony gęstym, ciężkim kruszywem z lawy i ma 12 metrów grubości, dodała. Bez tak mocnego, długotrwałego materiału w fundamencie, Koloseum zostałoby całkowicie zniszczone przez trzęsienia ziemi w tym regionie.

Żadna wizyta w Rzymie nie byłaby kompletna bez odwiedzenia Koloseum, ale dla każdego, kto szuka szczytu betonowej konstrukcji w starożytnym świecie, Perucchio mówi, że niezbrojona kopuła Panteonu jest obowiązkowa.

Wewnątrz rotundy Panteonu, odległość od podłogi do szczytu kopuły jest praktycznie identyczna jak jej średnica (43 m), co zachęca każdego, kto znajdzie się w środku do wyobrażenia sobie ogromnej, doskonałej kuli, która mogłaby być umieszczona w jej wnętrzu. Kiedy próbuje się docenić kopułę Panteonu, "niewzmocniona" jest naprawdę kluczowym słowem.

Perucchio powiedział, że gdyby architekt próbował zbudować Panteon dzisiaj, jego plany zostałyby odrzucone, ponieważ bez zbrojenia, takiego jak stalowe pręty powszechnie stosowane we współczesnych konstrukcjach betonowych, kopuła naruszałaby współczesny kodeks inżynierii cywilnej.

Kopuła wytwarza bardzo duże naprężenia rozciągające, a mimo to stoi od 19 wieków" - powiedział Perucchio. "Można z tego wyciągnąć jeden z dwóch wniosków: albo grawitacja działała inaczej w czasach rzymskich; albo istnieje wiedza, którą utraciliśmy".

Oprócz unikalnego składu chemicznego ich betonu, rzymscy architekci stojący za Panteonem zastosowali niezliczoną ilość sztuczek, aby osiągnąć swoją wizję. Dwie takie sztuczki miały na celu uczynienie ścian kopuły tak lekkimi, jak to tylko możliwe.

Podczas budowy beton, z którego zbudowany jest półsferyczny sufit budynku, musiał być wlewany od dołu do góry w drewniane ramy, które tworzyły kolejne koncentryczne pierścienie. Aby zmniejszyć ogromne naprężenia rozciągające, o których wspomina Perucchio, budowniczowie użyli stopniowo coraz lżejszych skał wulkanicznych jako kruszywa w miarę zbliżania się do wierzchołka kopuły, a także sprawili, że same ściany stały się cieńsze.

W najniższej, najszerszej części kopuły beton zawiera duże bloki ciężkiego bazaltu dla zwiększenia wytrzymałości i ma około 6 m grubości. Dla kontrastu, ostatnia warstwa otaczająca oculus wykorzystuje jako kruszywo przewiewny pumeks, który jest tak lekki, że unosi się w wodzie, a jego grubość wynosi około 2 m.

Drugi trik można zauważyć w całym wnętrzu kopuły. Zakrzywione wnętrze sufitu pokryte jest wydrążonymi prostokątami zwanymi kasetonami. Te geometryczne kasetony są hipnotyzujące, ale nie są tam tylko dla estetyki. Zmniejszyły one również ilość betonu potrzebnego do budowy kopuły i uczyniły ją lżejszą, co zmniejszyło nacisk na materiały.

Uważam, że jest to jedna z najpiękniejszych budowli, jakie kiedykolwiek powstały

"Panteon to magiczne miejsce" - powiedział Perucchio. "Byłem tam niezliczoną ilość razy, ale za każdym razem jestem pełen podziwu dla architektury i inżynierii. Uważam, że jest to jedna z najpiękniejszych budowli, jakie kiedykolwiek powstały."